Funzionalità e problematiche delle tecnologie di miscelazione convenzionali per la produzione di fanghi di batterie.
Un miscelatore planetario (vedi Fig. 1) richiede un'elevata viscosità (diversi milioni di centipoise) per generare lo sforzo di taglio necessario alla dispersione. Poiché la velocità di taglio è determinata dalla velocità di rotazione delle pale di miscelazione, lo sforzo di taglio possibile aumenta con la viscosità (legge di viscosità di Newton: sforzo di taglio = viscosità * velocità di taglio).
Figura 1: Illustrazione di un miscelatore planetario e di un dissolutore ad alta velocità (HSD), macchine di miscelazione convenzionali per sospensioni di elettrodi.
Tuttavia, con viscosità molto elevate, i motori necessari per il movimento richiedono coppia e potenza elevate. Poiché solo una frazione della potenza è disponibile per la dispersione in un dato momento, una grande parte viene sprecata in un processo inefficiente. Per mantenere questo sforzo di taglio, il solvente deve essere trattenuto parzialmente o completamente, causando usura e contaminazione del metallo da parte delle polveri dure del catodo. In genere, il legante viene pre-disciolto ad alte temperature, raffreddato, filtrato e quindi aggiunto lentamente ai materiali attivi e conduttivi già secchi e miscelati utilizzando un solvente ad alta velocità (HSD, vedi Fig. 1), una tecnologia di bagnatura delle polveri inefficiente. Questa fase viene eseguita nel miscelatore planetario, dove sono installati anche gli HSD, quindi la viscosità diminuisce all'aumentare della quantità di legante. Il miscelatore planetario e gli HSD devono eseguire contemporaneamente miscelazione e dispersione in un processo di questo tipo. La produzione di impasto
per batterie utilizzando queste tecnologie convenzionali è ad alta intensità energetica, lenta e richiede un'enorme quantità di spazio. Attualmente, i miscelatori planetari industriali possono raggiungere volumi di produzione di circa 3.000 litri per la preparazione di impasti per elettrodi. Tuttavia, il tempo di miscelazione supera già le tre ore, a cui si aggiungono da una a tre ore di pulizia tra un ciclo e l'altro. Soddisfare la domanda in rapida crescita di batterie di accumulo sarà difficilmente possibile attraverso una scalabilità lineare della tradizionale tecnologia di miscelazione a lotti.
Dispersione in millisecondi.
In questo contesto, YSTRAL, azienda specializzata in tecnologie di miscelazione e dispersione, ha sviluppato la piattaforma di miscelazione YSTRAL Batt-TDS, che supera i limiti dei processi tradizionali, consentendo la produzione di sospensioni per batterie con tempi, energia e ingombro notevolmente ridotti.
Il concetto di miscelazione Batt-TDS per sospensioni di elettrodi si basa su un processo di circolazione con un miscelatore in linea, che introduce polveri prive di polvere in un flusso liquido e le disperde, e un miscelatore 3D, che garantisce una rapida omogeneizzazione del lotto nel recipiente con bassi consumi energetici e una bassa velocità di taglio.
In questo processo, la dispersione nel miscelatore in linea avviene sotto vuoto. Invece di un'elevata viscosità, il miscelatore in linea opera a una velocità di taglio significativamente più elevata, generando un'elevata sollecitazione di taglio, inversamente proporzionale alla distanza sub-millimetrica tra rotore e statore rotanti. In questa zona di dispersione si generano forti gradienti di velocità, corrispondenti alla velocità di taglio. La capacità specifica può essere moltiplicata per 10.000 e lo sforzo di taglio può essere concentrato in pochi millisecondi di tempo di dispersione nella zona di miscelazione attiva, anziché in ore come nei miscelatori convenzionali.
Un'ampia finestra di processo in un'unica installazione:
il miscelatore in linea YSTRAL Batt-TDS è specificamente progettato per le esigenze della produzione di sospensioni per batterie, poiché i sistemi rotore-statore sono in genere limitati a viscosità inferiori a quelle rilevanti per le sospensioni di elettrodi. Grazie all'ampio diametro dello statore, il miscelatore in linea è progettato per gestire viscosità elevate e controllare il tempo di esposizione a un elevato sforzo di taglio, disaccoppiando la velocità di taglio dalle portate controllate di polvere e liquido.
Con la possibilità di generare, se necessario, uno sforzo di taglio indipendente dalla viscosità, la separazione delicata ma efficace degli agglomerati consente una dispersione della polvere quasi in tempo reale in un'ampia gamma di viscosità, anche inferiori a quelle richieste per una dispersione efficace in un miscelatore planetario. Un vantaggio cruciale di questo concetto è che la velocità di taglio può essere adattata ai requisiti di processo di una singola polvere, consentendo un'elaborazione ottimizzata dello stress di taglio e dell'energia in una data sequenza, senza la necessità di dispositivi diversi per ogni tipo di polvere.
Figura 2: YSTRAL Batt-TDS navi, un'unità da 12 litri per lo screening rapido di formulazioni e processi.
Dalla ricerca e sviluppo alla produzione su scala industriale:
la piattaforma di miscelazione YSTRAL Batt-TDS è disponibile in quattro dimensioni: da un'unità da 12 litri per la formulazione rapida e lo screening dei processi (Batt-TDS navi, vedi Fig. 2), a un sistema di produzione per processi di produzione di fanghi catodici o anodici su larga scala con una capacità di 10.000 litri (Batt-TDS Pro supra, vedi Fig. 3). I risultati ottenuti su scala sperimentale possono essere facilmente estrapolati alla scala di produzione.
Figura 3: Concetto di miscelazione Batt-TDS per sospensioni di elettrodi, comprendente un miscelatore in linea per l'induzione e la dispersione della polvere in un flusso liquido, nonché un miscelatore 3D con bassa velocità di taglio nel recipiente per l'omogeneizzazione del batch.
Su scala produttiva, la nuova tecnologia raggiunge una produttività oltre 10 volte superiore rispetto alle tecnologie convenzionali e il doppio rispetto agli estrusori esistenti. La Figura 4 mostra un confronto tra i miscelatori planetari convenzionali e i sistemi Batt-TDS Pro mid e supra per la produzione di impasto per elettrodi su scala industriale, come negli impianti attualmente in fase di progettazione (40 GWh/anno), con particolare riferimento alle batterie NMC 622/grafite. Poiché i grandi impianti per la produzione di catodi richiedono un controllo climatico, la possibilità di produrre grandi quantità di impasto in uno spazio compatto rappresenta un potenziale risparmio significativo in termini di consumo energetico e costi di costruzione.
Figura 4: Produttività e ingombro dei miscelatori planetari medi e supra YSTRAL e dei sistemi Batt-TDS Pro per la produzione di sospensioni di elettrodi su scala degli stabilimenti attualmente in fase di progettazione, illustrati per batterie NMC 622/grafite.
La capacità di ciclo a lungo termine è aumentata del 27%.
Test condotti dal Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Germania hanno dimostrato che le celle Batt-TDS presentano una morfologia conduttiva migliorata e, di conseguenza, una minore resistenza interna, con conseguente aumento delle prestazioni rispetto alle celle prodotte con metodi convenzionali. A tale scopo, i catodi NMC-622 sono stati rivestiti con sospensioni prodotte separatamente in lotti da 12 a 15 litri utilizzando un sistema di lavaggio Batt-TDS, nonché con un miscelatore planetario per confronto. Le celle, prodotte dal KIT utilizzando sospensioni catodiche Batt-TDS e un anodo identico, hanno mostrato un aumento del 27% della capacità di ciclo a lungo termine rispetto ai materiali miscelati nel miscelatore planetario. Non è stata rilevata alcuna contaminazione da ferro (ICP-OES, limite di rilevamento: 8 ppm Fe) nelle sospensioni NMC provenienti dal processo Batt-TDS con lubrificazione liquida.
Probabilmente a partire dalla fine dell'anno, i produttori di batterie potranno effettuare test su un sistema di ricerca e sviluppo con il sistema di dispersione navi Batt-TDS di YSTRAL nell'ambito del progetto "Battery Cell Research Manufacturing (Fraunhofer FFB)" a Münster, in Germania.
Per ulteriori informazioni
YSTRAL Batt-TDS
Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - Gruppo di ricerca sullo sviluppo degli elettrodi
Fraunhofer Institute for Battery Cell Production FFB
Autore: David Manke,
Chief Technology Officer e amministratore delegato
, ystral gmbh maschinenbau + processtechnik
Informazioni su ystral:
Il produttore tedesco di macchinari e impianti ystral progetta e produce miscelatori di polveri, dispersori e umidificatori ad alta efficienza, nonché sistemi di processo. Le tecnologie ystral sono utilizzate in tutto il mondo nei settori chimico, farmaceutico, dei rivestimenti e degli inchiostri, alimentare, della cura della persona e dei prodotti per la casa, nonché nella produzione di batterie.
Per saperne di più su ystral, visita il sito www.ystral.com
